李朝陽，王興鵬*，楊玉輝

（1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾843300；2.塔里木大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆阿拉爾843300）

0 引言

【研究意義】新疆地處歐亞大陸腹地，光熱資源豐富，干旱少雨，晝夜溫差大，對棗樹生長較為有利，截至2017 年，新疆地區(qū)棗樹種植面積和產(chǎn)量分別達到了100 萬hm2和350 萬t[1]，已經(jīng)成為中國紅棗種植面積與產(chǎn)量最大的地區(qū)。然而，新疆棗樹種植一直采用漫灌方式進行灌溉，不僅導(dǎo)致大量水分無效蒸發(fā)和深層滲漏，還造成土壤板結(jié)和次生鹽漬化，降低作物產(chǎn)量和水分利用效率[2]。滴灌作為先進的節(jié)水灌溉技術(shù)，可有效改善土壤水肥環(huán)境，具有顯著的節(jié)水增產(chǎn)效果，已成功應(yīng)用到棉花、小麥、玉米等作物[3-5]種植中，且滴灌較漫灌能顯著提高棗樹水分利用效率和果實品質(zhì)[6]，因此，針對新疆大面積種植的棗樹，采用滴灌替代水分利用效率較低的漫灌，必將成為該地區(qū)有效緩解水資源供需矛盾和提高農(nóng)業(yè)用水效率的重要途徑之一。

【研究進展】根系是作物吸收水分、養(yǎng)分及合成各種生理活性物質(zhì)的重要器官，而作物根系的生長發(fā)育與土壤水分的分布狀況密切相關(guān)[7-8]。滴灌屬于局部灌溉，可有效控制土壤濕潤區(qū)范圍，根系主要集中在有限的濕潤區(qū)內(nèi)，對作物根系的生長發(fā)育有利。滴灌較溝灌顯著提高了棗樹總根長、根尖數(shù)、根表面積和體積，增強了根系吸收水分和養(yǎng)分的能力[9]；滴灌核桃樹根系在0～100cm土層內(nèi)分布明顯高于畦灌[10]；滴灌葡萄根系在垂直方向主要分布在0～60 cm范圍的土層內(nèi)，適宜的灌水量可顯著提高葡萄產(chǎn)量和水分利用效率[11]；滴灌蘋果根系主要分布在0～80cm土層，合理的滴灌方式對果樹新梢長度、新梢莖粗以及葉面積指數(shù)等指標均會產(chǎn)生積極的影響[12]。

【切入點】國內(nèi)外眾多學者針對滴灌對土壤水分、作物根系分布、作物生長及產(chǎn)量等方面進行了大量研究。然而，新疆漫灌成齡棗樹，根系分布已與漫灌形成的土壤濕潤區(qū)相適應(yīng)，漫灌改滴灌后土壤濕潤區(qū)范圍必定有所差異，而目前關(guān)于多年生果樹灌溉方式改變后土壤濕潤區(qū)的變化對根系再分布、植株生長及產(chǎn)量等方面的研究鮮有報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文通過連續(xù)2a的大田試驗，針對長期漫灌紅棗開展滴灌調(diào)控試驗，研究漫灌改滴灌后土壤濕潤區(qū)的變化對棗樹根系再分布、果實產(chǎn)量和水分利用效率的影響，以期為新疆地區(qū)長期漫灌棗樹改滴灌提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018年5月—2019年11月年在新疆阿拉爾市10團16連成齡棗園進行。試驗地位于北緯40°34＇，東經(jīng)81°13＇，夏季炎熱降水量稀少，冬季寒冷少雪，地表蒸發(fā)強烈，年均降水量40.1～82.5mm，年均蒸發(fā)量1876.6～2558.9mm，屬于典型的大陸性干旱荒漠氣候。研究區(qū)年平均日照時間為2556～2992h，年平均溫度為8.4～11.4℃，無霜期持續(xù)180～221 d。試驗區(qū)土壤類型為沙壤土，0～100 cm土層平均體積質(zhì)量為1.55g/cm3，田間土壤體積持水率為32.96%，地下水埋深超過3.5m。

1.2 試驗設(shè)計

本研究選用2007 年種植、2008 年嫁接，種植11a 的成齡棗樹為研究對象。棗樹種植模式為矮化密植，行距200cm，株距80cm，每年果實收獲后進行剪枝。2007—2017 年均采用漫灌方式進行灌溉，2018年5 月開始進行漫灌改滴灌調(diào)控試驗。結(jié)合當?shù)丶t棗種植模式，滴灌調(diào)控試驗設(shè)計3 種不同的滴灌帶鋪設(shè)模式，分別在棗樹二側(cè)50cm（T1）、35cm（T2）和20cm（T3）處各布置1 條滴灌帶，滴頭流量2.8L/h，滴頭間距30cm，同時以傳統(tǒng)漫灌為對照（CK），每個處理3 次重復(fù)，共計12 個小區(qū)。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，每個試驗小區(qū)面積為48m2（8m×6m），種植24 棵棗樹，分別安裝水表控制灌水量。根據(jù)前人研究結(jié)果和當?shù)毓嗨芾砟Ｊ絒13]，滴灌紅棗生育期內(nèi)灌水量660mm，每次灌水量一致，其中萌芽新梢期（4 月30 日—6 月15 日）灌水2 次，開花坐果期（6 月16 日—7 月20 日）灌水5 次，果實膨大期（7月21 日—8 月31 日）灌水4 次，成熟期（9 月1 日—10 月15 日）灌水1 次。CK 灌水量與當?shù)芈啾３忠恢拢瑸?100mm，其中萌芽新梢期灌水1 次，開花坐果期灌水3 次，果實膨大期灌水2 次，成熟期灌水1次。

1.3 測試項目及方法

1.3.1 土壤水分

采取烘干法測定土壤含水率，取樣位置以棗樹為原點，沿垂直滴灌帶方向，分別在距離棗樹0、20、35、50、70 cm 和100cm 的位置進行取樣，取樣深度為0～100cm 土層，每20cm 取樣1 次，取樣時間為灌后24h，漫灌處理取樣時間與取樣位置均與滴灌一致。

1.3.2 根系取樣及處理

取樣控制區(qū)：在紅棗樣株為中心的有效占有面積內(nèi)，選取半徑為100cm 的扇形區(qū)域作為取樣控制區(qū)。

取樣點位：考慮取樣的工作量與實際情況，在取樣控制區(qū)內(nèi)沿著水平位置0～25、25～50、50～75 cm 和75～100cm 處分別布置1、2、3、3 個取樣點，每株棗樹共計9 個取樣點位，每個點位取樣深度0～100cm 土層，每20cm 取樣1 次。具體取樣區(qū)域及位置詳見圖1。

取樣方法：在生育期末利用根鉆進行取樣，根鉆內(nèi)徑為10cm，鉆頭長度為20cm。

根樣處理：樣品取出后，清除雜質(zhì)沖洗干凈后，利用根系掃描儀（愛普生，印度尼西亞）掃描根系樣品，通過根系分析系統(tǒng)（WinRHIZO）進行分析計算，得到各層根系樣品的根長，并計算單位土壤體積內(nèi)的根長密度。

1.3.3 剪枝量、產(chǎn)量指標

生育期末，每個試驗小區(qū)隨機選取5 棵棗樹進行剪枝量和產(chǎn)量測定。剪掉每棵樹上的新生枝條，烘干稱取單株剪枝量；收獲每棵樹上的所有果實，稱取單株產(chǎn)量，最終以平均值作為每個處理的剪枝量和產(chǎn)量；灌溉水分利用效率（WUE，kg/m3）為每個處理的產(chǎn)量與灌水量的比值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS17.0 進行方差分析和Duncan 法進行處理間多重比較，采用Excel2019 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌帶鋪設(shè)模式對土壤濕潤區(qū)的影響

通過對單次灌水后土壤水分的空間分布狀態(tài)（2018年7月）進行分析，滴灌處理有效控制了土壤濕潤區(qū)范圍，隨著滴灌帶鋪設(shè)距離的增大，土壤濕潤區(qū)范圍由窄深變?yōu)閷挏\（圖2）。滴灌方式下，水分以點源方式進入土體，以滴灌帶為中心，向四周擴散，整體表現(xiàn)為滴灌帶附近土壤含水率較大，沿著水平方向逐漸降低。垂直方向上，淺層含水率較高，深層含水率較低。T1處理的土壤淺層濕潤區(qū)最寬，20～60cm的土壤含水率均超過了田間持水率的65%，但深層土壤含水率較小，且不同位置的深層土壤含水率差異不明顯，表明土壤入滲深度較淺，對深層土壤含水率的影響較小，說明T1處理下的土壤濕潤區(qū)是典型的寬淺型。T2處理對距離滴灌帶水平方向100cm處土壤含水率的影響較小，土壤濕潤區(qū)范圍較T1處理有所降低，但濕潤區(qū)內(nèi)的土壤含水率明顯增大；而在不同位置60～80cm土層土壤含水率有所差異，表明該處理的土壤入滲深度較T1處理有所提高。T3處理淺層土壤水平濕潤寬度最窄，距離滴灌帶70～100cm處土壤含水率變化不明顯，但0～80cm土層的土壤含水率均超過田間持水率的65%，土壤水分入滲深度顯著高于其他處理，形成明顯的窄深型土壤濕潤區(qū)。CK則表現(xiàn)為水平方向土壤含水率差異較小，相對均勻；而在垂直方向上，0～60cm土層土壤含水率較大，80～100cm土層土壤含水率有所降低，但均大于田間持水率。說明漫灌土壤濕潤區(qū)范圍及土壤含水率均明顯高于滴灌方式，而滴灌在“勤灌少灌”模式下，通過設(shè)置不同的滴灌帶鋪設(shè)間距，可有效控制土壤濕潤區(qū)范圍。

2.2 不同滴灌帶鋪設(shè)模式對根系空間分布的影響

2.2.1 根系垂直方向分布特征

灌溉方式的改變顯著改變了根系在不同深度土層的分布狀態(tài)，圖3 為不同土層平均根長密度。從圖3 可以看出，多年連續(xù)漫灌條件下棗樹根系分布在0～100cm 土層內(nèi)，隨著土層深度的增加，根長密度逐漸緩慢下降，各個土層根長密度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，變化較小。改滴灌第1 年，棗樹根長密度隨著土層深度的增加逐漸下降，與漫灌處理基本一致，但降低幅度較大。滴灌處理 0～40cm 土層根長占比處于65.1%～75.9%之間，尤其在0～20cm 土層根長密度分布最為密集，根長密度達到了1762～2252 m/m3，根長占比36.1%～41.6%。試驗中還發(fā)現(xiàn)，隨著滴灌帶鋪設(shè)距離的減小，0～40cm 土層根長密度呈現(xiàn)下降趨勢，其中，T1 處理最大，在0～40cm 土層平均根長密度達到2056 m/m3，而T3 處理最低，為1586 m/m3，但均顯著高于漫灌處理（P<0.05）。不同滴灌處理60～100cm 土層根長占比處于24.1%～34.9%之間，與0～40cm 根長分布規(guī)律相反，根系占比隨滴灌帶鋪設(shè)間距的減小而逐漸增大，但均顯著低于漫灌處理（P<0.05）。經(jīng)過2a 的滴灌調(diào)控，T1、T2、T3 處理0～60cm 土層平均根長密度分別比CK 高了32.7%、31.6%和21.4%；60～100cm 土層平均根長密度分別比CK 下降了46.6%、45.1%和31.0%，說明灌溉方式由漫灌轉(zhuǎn)變?yōu)榈喂嗪?，在土壤濕潤區(qū)調(diào)控下，棗樹根系由空間分布相對均勻的狀態(tài)逐漸向0～60cm 的淺層土壤聚集，深層根系分布顯著降低，滴灌帶鋪設(shè)間距越大，該現(xiàn)象越明顯。

2.2.2 根系水平方向分布特征

連續(xù)2a 的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，長期漫灌棗樹根長密度隨著與樹干距離的增加而逐漸降低。如圖4 所示，漫灌棗樹在距離樹干較近的0～25cm 位置根長占比為30.1%左右，而距離較遠的75～100cm 位置根長占比為21.5%左右，根系分布趨于穩(wěn)定狀態(tài)，水平分布相對均勻。經(jīng)過1a 滴灌調(diào)控后，T1 處理距離樹干25～75cm 處、T2 處理和T3 處理距離樹干0～50cm 處根長密度均顯著高于CK，但在距離滴灌帶較遠的75～100cm 位置根長密度較低，顯著低于CK，棗樹根系明顯向滴灌帶附近土壤聚集，距離滴灌帶較遠位置的根長密度顯著下降。另外，T1 處理平均根長密度達到了1083 m/m3，顯著高于其他處理，表明寬淺型土壤濕潤區(qū)與長期漫灌棗樹根系空間分布匹配程度較高，根系能在較大范圍的濕潤區(qū)內(nèi)生長，可有效調(diào)控和促進棗樹根系的生長和發(fā)育。經(jīng)過2a 的滴灌調(diào)控，T1 處理和T2 處理在距離棗樹0～75cm 位置根長密度相比CK 分別提高了20.1%和24.5%，T3 處理棗樹根系主要集中在0～50 cm 位置，該區(qū)域平均根長密度達到了1465 m/m3，較CK 提高了25.8%，但距離樹干50～100cm 位置僅為798 m/m3，相比CK 下降了15.2%。不同滴灌處理平均根長密度較第1 年均有所提高，且T2 處理平均根長密度為1170 m/m3，與T1處理差異不明顯，T3 處理2a 的平均根長密度均低于T1 和T2 處理。主要是因為T3 處理形成的窄深型土壤濕潤區(qū)與根系的空間分布匹配程度相對較低，導(dǎo)致部分根系始終處于濕潤區(qū)之外，不能有效地促進棗樹根系的生長。

2.3 不同滴灌帶鋪設(shè)模式對棗樹生長及產(chǎn)量的影響

不同滴灌帶鋪設(shè)模式對棗樹剪枝量、產(chǎn)量和灌溉水分利用效率的影響見表1。從表1可以看出，漫灌改滴灌顯著提高了棗樹的產(chǎn)量和灌溉水分利用效率，但剪枝量顯著下降。改滴灌第1年，T1、T2處理和T3處理剪枝量與漫灌相比分別減少了11.1%、16.8%和22.6%，降低幅度隨著滴灌帶鋪設(shè)距離的增加而降低。T1處理和T2處理產(chǎn)量分別比CK顯著提高了11.5%和7.5%，T3處理產(chǎn)量與CK無顯著差異，但灌溉水分利用效率顯著高于CK。改滴灌第2年，T1處理剪枝量和產(chǎn)量與第1年相比無明顯差異，而T2處理和T3處理枝量和產(chǎn)量則明顯增加，其中，T2處理和T3處理剪枝量較第1年分別高了6.8%和6.2%，產(chǎn)量分別高了5.4%和5.0%。與CK相比，滴灌處理剪枝量仍然較低，但T1、T2處理和T3處理棗樹產(chǎn)量分別比漫灌高了12.9%、12.5%和7.6%。

表1 不同滴灌帶鋪設(shè)模式下棗樹剪枝量及果實產(chǎn)量Table1Jujube pruning amount and fruit yield under differ ent irrigation treatments

3 討論

灌溉方式的差異會明顯改變土壤濕潤區(qū)范圍及土壤含水率的大小，傳統(tǒng)漫灌形成了水平均勻且較深的土壤濕潤區(qū)[14]，而滴灌屬于局部灌溉，以點源入滲形式逐步擴大濕潤區(qū)范圍，可有效避免水分深層滲漏，降低棵間蒸發(fā)[15-16]。本研究發(fā)現(xiàn)，漫灌后水平方向上土壤含水率差異較小，0～100cm土層土壤含水率均處于較高水平，土壤濕潤區(qū)范圍及土壤含水率顯著高于滴灌處理，與前人研究結(jié)論[14]一致。滴灌帶布置模式同樣對土壤濕潤區(qū)影響較大，有學者研究認為，滴灌帶間距過小，垂直方向入滲深度超過了葡萄根系分布范圍，且水平濕潤半徑較低，造成了水分的不合理分配，適當增大滴灌帶間距，得到的土壤濕潤區(qū)范圍和含水率與作物根系分布匹配較優(yōu)[17]。也有學者研究表明，滴灌帶鋪設(shè)間距越小，土壤濕潤越均勻，對棉花生長越有利，滴灌帶間距過大，易造成距離滴灌帶附近作物長勢良好，而距離滴灌帶較遠的作物始終處于水分虧缺狀態(tài)，導(dǎo)致田間作物長勢不均[18]。究其原因，棉花為1 a生作物，株行距較小，種植密度顯著高于果樹，通常為單條滴灌帶為多行作物供應(yīng)水分，而本試驗研究對象為根系在空間分布相對均勻的長期漫灌成齡棗樹，每行棗樹二側(cè)各布置1條滴灌帶，且單次灌水量達到了55mm，滴灌帶間距過低，形成窄深型的土壤濕潤區(qū)使得大量的根系處于濕潤區(qū)之外，而適當?shù)卦龃蟮喂鄮т佋O(shè)間距，可形成相對寬淺型的土壤濕潤區(qū)，與長期漫灌棗樹空間分布狀態(tài)匹配程度更高。滴灌能促使果樹根系聚集在土壤濕潤區(qū)內(nèi)，距離滴灌帶越近，根系分布越多[19-20]。本研究試驗區(qū)棗樹長期采用漫灌進行灌溉，2018年開始采用滴灌技術(shù)進行調(diào)控，滴灌帶附近土壤根長密度較漫灌顯著增加，而濕潤區(qū)之外的根長密度明顯下降。滴灌帶鋪設(shè)模式對作物根系分布影響同樣顯著，如對于南疆成齡核桃樹，滴灌帶鋪設(shè)于距樹60 cm處形成的土壤濕潤區(qū)范圍與作物根系匹配程度較高，更有利于根系的生長[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，針對南疆成齡棗樹，在相同灌水水平下，35～50cm的滴灌帶鋪設(shè)模式更能有效促進棗樹根系的生長。也有學者認為灌溉方式的差異并未對作物根系產(chǎn)生顯著的影響[22]，主要原因是巴西試驗區(qū)作物生長季節(jié)降雨達到了512mm，而本試驗區(qū)降雨量僅為50mm左右，表明在降雨充沛的地區(qū)，雨季根系生長弱化了灌溉對作物根系的影響，也間接表明了在降雨稀少的干旱地區(qū)，灌溉方式對作物根系的生長發(fā)育具有顯著的調(diào)控作用。

適宜的灌溉模式，不僅可以顯著提高作物產(chǎn)量，同時還可以提高水分利用效率[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，漫灌改滴灌后，棗樹產(chǎn)量和灌溉水生產(chǎn)效率均顯著提高。滴灌帶布置模式對作物產(chǎn)量的影響同樣顯著，有研究表明，較大的毛管間距會使水分濕潤鋒分布范圍更廣，有利于葡萄根系吸收水分，進而提高作物產(chǎn)量[24]，這與本試驗第1年的研究結(jié)果一致。然而，本文研究結(jié)果還表明，滴灌第2年，T2處理的產(chǎn)量較CK顯著了提高了12.5%，與T1處理無顯著差異，但T3處理產(chǎn)量始終處于較低水平。可能是因為漫灌改滴灌第1年，寬淺的土壤濕潤區(qū)與長期漫灌根系空間分布匹配程度較高，有利于根系的生長和產(chǎn)量的提高，經(jīng)過1年的滴灌調(diào)控后，根系再分布較為明顯，逐漸聚集在滴灌帶附近土壤，改滴灌第2年，寬淺型的土壤濕潤區(qū)內(nèi)土壤含水率相對較低，對再分布的根系生長發(fā)育沒有明顯的促進作用，而T2處理和T3處理濕潤區(qū)內(nèi)土壤含水率較高，濕潤區(qū)內(nèi)根長密度顯著增加，進而促進產(chǎn)量的提高?？傮w來看，漫灌改滴灌初期，過低的滴灌帶鋪設(shè)間距，導(dǎo)致土壤水分過于集中，雖然產(chǎn)量較漫灌有所增加，但距離較大的滴灌帶鋪設(shè)間距形成的寬淺型土壤濕潤區(qū)更利于棗樹根系的生長和果實產(chǎn)量的提高。

4 結(jié)論

1）與漫灌相比，滴灌顯著限制了土壤濕潤區(qū)范圍，土壤水分主要集中在滴灌帶附近土壤；隨著滴灌帶鋪設(shè)距離的降低，土壤水分入滲深度逐漸提高，土壤濕潤區(qū)范圍由寬淺型演變?yōu)檎钚?，濕潤區(qū)內(nèi)土壤含水率逐漸提高。

2）長期漫灌條件下成齡棗樹根系根長密度沿著樹干距離和土層深度的增加而逐漸降低，但降幅較緩，空間分布相對均勻；滴灌對棗樹根系調(diào)控效果顯著，濕潤區(qū)內(nèi)根長密度增加，非濕潤區(qū)內(nèi)根長密度顯著下降，根系主要聚集在滴灌帶附近土壤。寬淺型土壤濕潤區(qū)對根系生長較為有利。

3）與漫灌相比，滴灌降低了灌溉用水量，抑制了棗樹的營養(yǎng)生長，在保證產(chǎn)量穩(wěn)定增加的同時，顯著提高了灌溉水生產(chǎn)效率。經(jīng)過連續(xù)2a的滴灌調(diào)控，T1處理和T2處理棗樹產(chǎn)量分別達到了9 135kg/hm2和9 017 kg/hm2，初步證明了在漫灌改滴灌初期，35 cm或50cm的滴灌帶鋪設(shè)模式更利于棗樹增產(chǎn)。